Creen bessons digitals perquè els metges no hagin d'assajar tractaments en els pacients

Com determinar la dosi exacta, ni insuficient ni excessiva, de tractaments com ara els opioides artificials per eliminar el dolor? Una opció és anar provant en la persona. L'altra l'estan desenvolupant investigadors suïssos: crear un bessó digital i que sigui aquest qui rebi diverses quantitats de fàrmac per veure'n els efectes.

D'aquesta manera s'evita l'experimentació en els mateixos pacients i el risc que rebin dosis massa elevades que provoquin efectes secundaris greus.

El bessó digital seria una mena d'avatar, un model informàtic elaborat a partir de dades reals de cada pacient. Segons expliquen a la web de l'institut Empa (laboratoris federals suïssos de prova i recerca de materials), els analgèsics potents com el fentanil s'administren sovint amb pedaços enganxats a la pell, que van alliberant el fàrmac. Però les dosis adequades només es poden determinar mitjançant assaig i error.

Com que això és lent i presenta un cert risc, un equip de l'Empa dirigit per Thijs Defraeye ha desenvolupat, juntament amb la Universitat de Berna, còpies digitals de l'organisme per assajar la teràpia i predir-ne els efectes segons les dosis o la regularitat de l'administració.

Rèpliques virtuals que simulen el comportament en temps real

Si bé aquest enfocament és original, els bessons digitals no són una cosa totalment nova. Anomenats en anglès "digital twins", són rèpliques virtuals d'objectes o processos que simulen el comportament dels seus homòlegs en temps real. S'apliquen en àmbits molt diversos i permeten reproduir, experimentar i predir situacions sense necessitat de construir i experimentar en el món real.

A l'abril, la UPC va donar a conèixer que investigadors del Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental, vinculat a l'Escola d'Enginyers de Camins de Barcelona, lideren un dels grups del projecte europeu ASHVIN. Té com a objectiu utilitzar la tecnologia dels bessons digitals per fer més eficient, fiable i segura la indústria europea de la construcció.

El projecte ja s'està implementant en un dels ponts de la línia d'alta velocitat Plasencia-Badajoz i en diversos edificis de Barcelona. Es crea una representació digital de la infraestructura a construir que permet recopilar dades digitals en temps real, abans, durant i després de la construcció, per supervisar contínuament qualsevol canvi que es produeixi, en l'entorn o en la infraestructura.

Amb perspectiva molt més àmplia, la Unió Europea està impulsant un programa per crear un model digital de la Terra i estudiar i preveure l'escalfament global i altres fenòmens de la dinàmica del planeta. El programa s'anomena Destination Earth.

Què passaria si...

En definitiva, és la tecnologia del "què passaria si...". Amb models i ordinadors, això es pot experimentar. En condicions reals és impossible anar provant "què passaria si...", construint ponts o donant desenes de tractaments diferents a un pacient per veure quines conseqüències té.

En el cas dels investigadors suïssos, el "què passaria si..." permet assajar sense por als efectes secundaris en els pacients reals.

Per això, han elaborat un model a partir de diverses variables, tant fisiològiques com d'altres tipus --l'edat i l'estil de vida- de persones reals.

Així es pot estudiar l'efecte del fàrmac, que varia molt en cada persona. Des del punt de vista fisiològic, han de tenir en compte com es metabolitza la substància en l'organisme i com arriba al centre del dolor en el cervell.

El pacient va proporcionant dades regularment, per avaluar els nivells de dolor, el temps que dura i fins i tot com l'afecten els esdeveniments quotidians. D'aquesta manera es va ajustant el model informàtic i es pot preveure la seva evolució.

En el futur hi incorporaran en temps real molts altres paràmetres, com el batec del cor o el ritme de la respiració.

Primer, doncs, cal elaborar el model matemàtic a partir de moltes dades. Després, aplicar mètodes d'intel·ligència artificial per fer el seguiment i estudiar quines variacions experimenta aquest organisme de silici, que només existeix en els ordinadors on es processa la informació.

Ara ja s'ha experimentat amb dades de centenars de persones a l'Hospital Cantonal de St. Gallen i s'han assajat virtualment diverses teràpies. De moment, han observat que hi ha diferències significatives entre sexes i edats.

Els propers objectius són assajar altres teràpies, com l'administració d'insulina en malalts de diabetis.

Un equip de la Universitat de Linköping, a Suècia, va publicar a la revista Genome Medicine un article on analitzaven avantatges i costos dels bessons digitals. Així, considerant que la medicina personalitzada requereix grans muntanyes de dades per adaptar tractaments a cada pacient, creuen que els bessons digitals són una bona opció.

D'aquesta manera, en recerca clínica, es disposaria de models precisos de persones que serien tractats amb milers de fàrmacs fins a trobar el que resultaria òptim per a un pacient concret.

En aquest esquema, gentilesa de la Universitat de Linköping, s'explica el procés. Un pacient (A) mostra signes de malaltia, simbolitzada en vermell. Es construeixen còpies il·limitades de bessons digitals d'aquesta persona (B) basats en milers de dades rellevants sobre la malaltia.

Cada bessó digital és tractat amb un fàrmac o amb tants com calgui, milers si es vol (C). El fàrmac que fa efecte en un dels bessons és el que s'aplica al pacient (D).

Covid-19 i cors virtuals

La medicina és una de les branques on més s'està desenvolupant el camp dels bessons digitals, que d'un mercat de 5.100 milions de dòlars el 2020 es preveu que passi a 115.100 milions el 2035, amb un creixement anual del 23%.

Els bessons digitals també s'apliquen a la Covid-19. El projecte europeu DIGIPREDICT, que es va iniciar al gener, se centra en els efectes de les infeccions virals en pacients amb aquesta malaltia.

L'objectiu és conèixer més sobre alguns temes encara poc investigats, degut al fet que la malaltia té poc més d'un any. Així, es vol comprendre millor la resposta entre infecció per virus, el desenvolupament de la resposta inflamatòria i les possibles lesions cardiovasculars en persones amb Covid.

Així es podria preveure quines persones tindran només símptomes lleus i quins seran proclius a tenir una fallada orgànica. I un cop identificats els pacients, preparar una teràpia personalitzada.

Això es farà amb bessons digitals que permetran fer el seguiment del pacient minut a minut i donar suport a l'equip mèdic perquè prengui les decisions que cregui convenients.

Els bessons digitals també poden imitar només una part de l'organisme. L'empresa francesa Dassault Systèmes està desenvolupant The Living Heart Project. En aquest cas, l'objectiu és desenvolupar models personalitzats del cor humà, que servirien per fer recerca, per a la pràctica clínica i en formació.

En declaracions a la revista IoT World Today, Steve Levine, creador del projecte, explicava així com funcionaria el cor digital:

"Si podem entendre com treballa en la configuració normal, per què no podem entendre com ho fa en una configuració revertida? Si podem agafar el cor normal i canviar-lo en la manera com ho fa la natura, els canvis que es produirien en el cos humà no serien impredictibles".

Així, el cor digital, modelat a partir de les dades reals d'una persona, permetria veure quin impacte tenen alteracions en les vàlvules i com funcionarien certs tractaments abans d'administrar-los al pacient. És a dir, es simularia el tractament les vegades que calgués abans de portar-lo a la pràctica en la persona.

Dubtes ètics

Però aquests projectes també aixequen certs dubtes. Així, cal acceptar que fer models matemàtics precisos del funcionament del cor i de com l'afecten determinades malalties és molt complex i necessita molt de temps --i diners. Els models s'han d'elaborar i després s'han de comprovar. I finalment cal introduir-hi en forma numèrica les alteracions i observar-ne els efectes.

Però això també significa un cost molt elevat. A més, hi veuen altres possibles problemes, com ara l'ús d'informació sensible que podria atacar la privacitat dels pacients.

Per Marta Díaz, doctora en Administració i Direcció d'Empreses i en Psicologia, i professora a la Universitat Politècnica de Catalunya, on forma part també del Comitè d'Ètica de la UPC, aquest és un tema primordial:

"El pacient ha de saber per a quin ús es faran servir les dades, com estableix el reglament europeu. Cal assegurar que no hi puguin tenir accés persones o empreses amb altres intencions. Però no poden ser anònimes, perquè es refereixen a una persona concreta. I que hi hagi dades diverses, tant fisiològiques com psicològiques i de comportament, ho complica encara més."

A la doctora Díaz la preocupa també que s'hi vagin incorporant dades en temps real i que el sistema vagi coneixent la persona millor que ella mateixa:

"Ja estem acostumats que les màquines ens coneguin, aprenguin les nostres preferències i hàbits i ens aconsellin productes, cançons o pel·lícules, però en aquest cas es tracta de dades que, al final, fan que el model aprengui a ser jo mateixa. I l'usuari en aquest cas no pot decidir què revela i què no perquè el sistema va captant en temps real les dades que els metges creuen necessàries."

Una possibilitat és fer servir sistemes d'anonimització que dificulten la identificació d'un pacient concret. Però no s'assegura que sigui impossible obtenir dades de pacients a partir dels seus bessons digitals. Una informació que pot interessar molt a asseguradores i mútues mèdiques.

Eines més potents

En tot cas, segons experts del King's College de Londres, l'Institut Alan Turing, la Universitat de Cambridge i l'Institut Oden d'Enginyeria i Ciències Computacionals de la Universitat de Texas, es tracta d'eines molt potents que facilitaran tant la medicina de precisió com la presa de decisions en un camp aparentment tan allunyat com són els sistemes aeroespacials.

En un article publicat a Nature Computational Science, expliquen que, a part de predir l'evolució de la malaltia en un individu i l'efecte de les diferents teràpies, també permetria controlar milers de drons i assegurar que es comporten de manera segura en diferents condicions meteorològiques, sense necessitat d'intervenció humana.

Ara bé, per a això caldran models més fiables, ràpids i potents i eines molt poderoses per validar-los i verificar-ne el funcionament, com explica Steven Niederer, del King's College, referint-se al camp mèdic:

"Necessitem invertir en la teoria de com fer models, com executar-los a gran velocitat i com combinar diversos models per assegurar-nos que funcionen com esperem. També necessitem desenvolupar les matemàtiques necessàries per saber com crear bessons digitals a partir de les dades dels pacients, com mesurar la incertesa i com tenir-la en compte en les dades capturades i en les prediccions dels models."

Mark Girolami, de l'Institut Alan Turing, creu que aquesta tecnologia canviarà la interacció amb el món físic:

"En temes de salut, per exemple, la potència creixent d'ordinadors i algoritmes està permetent a les tecnologies construir un bessó digital específic d'un pacient, atenent així la nostra diversitat com a éssers humans i millorant, al mateix temps, els resultats de l'atenció individual a la salut."

I, finalment, com pot reaccionar la persona sabent que té un doble digital que passa revisions mèdiques i en qui estan experimentant teràpies com si fos ella mateixa?

La doctora Díaz, que ha estudiat les relacions entre robots i humans, creu que la personificació d'aquests models digitals pot provocar una mica d'espant:

"A més, va aprenent de nosaltres i pot arribar a semblar un clon. Ara tot això s'investiga per a finalitats concretes, però podria anar més enllà. És una tecnologia molt llaminera i segur que hi haurà la temptació d'explotar-la. Ara la fan servir metges i jo me'n refio, però el risc és que altres vulguin avançar vers possibilitats que caldrà controlar, perquè digitalment, amb aquests models matemàtics, es pot anar molt més enllà que treballant amb robots de metall."